GaN技術在電力電子中的應用概述

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引言
6 U! h$ Z* X; I8 x. [3 N1 ]5 N3 c氮化鎵（GaN）技術通過實現(xiàn)更高效率、更快開關速度和更高功率密度，顯著提升了電力電子性能。與傳統(tǒng)硅器件相比，GaN技術具有明顯優(yōu)勢。本文探討GaN技術在各個領域的關鍵應用[1]。
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1 A" a7 S5 ]" HGaN工作原理基礎

$ ^1 @4 N* Q# j( w5 w" ^圖1說明了激光雷達3D成像系統(tǒng)的工作原理，展示了光線發(fā)射、反射和探測過程，以及如何創(chuàng)建點云數(shù)據(jù)。


圖2展示了激光器在室溫（藍色）和高溫（紅色）條件下的特性曲線，包括光功率與電流、電壓與電流、效率與電流三個關鍵參數(shù)的對比。
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5 ?& p. f; G. t! j! |DC-DC轉(zhuǎn)換應用
在DC-DC轉(zhuǎn)換應用中，GaN器件在降壓轉(zhuǎn)換器和LLC轉(zhuǎn)換器方面表現(xiàn)出色。對于汽車48V/12V應用，GaN場效應晶體管比同類MOSFET具有四倍優(yōu)異的性能指標。
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6 [/ |% x4 M; E" o7 b圖3描繪了脈沖激光驅(qū)動線路的基本結(jié)構(gòu)，顯示了激光器運行所需的基本組件和連接。


8 g! S+ \: I1 M. U8 k' E8 K7 L圖4展示了分立激光驅(qū)動器解決方案的詳細激光功率和開啟柵極驅(qū)動環(huán)路，說明了線路設計的復雜性。
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' m+ u- l3 D( ^6 q& \% L8 b4 X2 C; Q6 H電機驅(qū)動應用
在電機驅(qū)動應用中，GaN晶體管顯著提高了性能和效率。優(yōu)異的開關性能有助于減少死區(qū)時間并提高PWM頻率，實現(xiàn)更平穩(wěn)的運行和更高的系統(tǒng)效率。

; p3 M5 E5 x7 T, N  F; ]& d4 I圖5顯示了EPC9173板在無刷直流電機驅(qū)動示例應用中的方框圖，展示了電機驅(qū)動系統(tǒng)中各組件的集成。
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# \! _1 y$ `3 ]4 q圖6展示了EPC9186三相逆變器，每個開關并聯(lián)四個EPC2302器件，展示了高電流應用的并聯(lián)配置。

航天應用
在航天應用中，GaN器件相比硅MOSFET表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻射性能。在伽馬輻射、中子輻射和重離子轟擊等各類輻射下，GaN器件保持穩(wěn)定性能。

圖7對比了(a)典型硅MOSFET和(b)增強型GaN器件的橫截面結(jié)構(gòu)，突出顯示了結(jié)構(gòu)差異。
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圖8展示了eGaN器件在500 kRad輻射測試下的結(jié)果，證明了抗輻射硬度。
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電動汽車應用
2 A" k4 y; Y6 b9 b在電動汽車應用中，GaN技術推動了高效率功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展。800V架構(gòu)的轉(zhuǎn)型為GaN器件在車載充電器和牽引逆變器方面創(chuàng)造了機會。

圖9概述了電動汽車動力系統(tǒng)的關鍵組件，展示了各種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成。

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. q, e* ]- C, d- D圖10說明了三電平FCML在800V電動汽車高功率車載充電器前端功率因數(shù)校正線路中的實現(xiàn)。

( ]6 q9 j' y6 z6 L0 T; {' J  h制造與發(fā)展展望
; k. |' Z- o: x; J  e6 {$ SGaN器件制造需要專業(yè)的代工服務，面臨獨特的挑戰(zhàn)。行業(yè)持續(xù)改進生產(chǎn)工藝，在保持高質(zhì)量標準的同時降低成本。

圖11顯示了(a)開發(fā)的GaN三電平FCML轉(zhuǎn)換器硬件和(b)熱測試結(jié)果，展示了散熱管理能力。

GaN技術在消費電子、汽車和航空航天系統(tǒng)等各個應用領域不斷擴展。隨著制造工藝日益成熟和成本下降，GaN器件在下一代電力電子中的作用將更加顯著。
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通過精心的設計考慮和適當?shù)膶嵤�，GaN技術相比傳統(tǒng)硅器件具有顯著優(yōu)勢。更高的效率、更快的開關速度和更高的功率密度使GaN成為現(xiàn)代電力電子應用的理想選擇。

參考文獻
[1] M. Di Paolo Emilio, Ed., "GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion," in Applications of GaN Technology, Switzerland: Springer Nature, 2024, pp. 111-192. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_5
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